CN207165768U - 一种人工介质圆柱透镜5波束天线 - Google Patents
一种人工介质圆柱透镜5波束天线 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种人工介质圆柱透镜5波束天线，包含一个外形为圆柱体的超宽频人造介质透镜，以及安装在透镜上的5个相同的独立天线单元；每个天线单元为带有金属地板的偶极子或微带振子。天线的波束增益为18dBi，标称增益为波束增益。每个天线单元频率为1710‑2690MHz，增益>8dBi，驻波比<1.4，隔离度>28dB，三阶互调<‑150dBc。该天线形成5个波束；水平面波束为锐形波束，垂直面波束为赋形扇形宽波束，宽度是传统5波束天线的三倍。本实用新型提供的人造介质圆柱透镜5波束天线是一种覆盖120°扇区的5波束天线，垂直波瓣宽度为相同增益基站天线的三倍，无需设置下倾角电调机构，同时信干比更高。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种无线电天线，具体地，涉及一种用于移动通信基站的人工介质圆柱透镜5波束天线。
背景技术
随着移动通信4G、5G、MIMO、卫星通信、雷达、电子战等无线领域市场的需求迅速扩张，对作为无线出入口的天线也提出了新的技术要求。其中最重要的是天线要能承载超大信息容量，但又不能增加天线数量、站址。
近年发展的多波束天线是一种解决方案。传统的多波束天线是用多波束形成网络（BFN）激励辐射单元平面阵列、或用多级巴特勒矩阵等做成。不仅复杂，还由于存在不对称波束、隔离度、网络损耗大等问题，使其难以大规模应用。
传统的龙伯球透镜技术具有承载多天线、多波束潜力。但由于它的重量太重及制造工艺极其复杂，长期以来只能作为雷达无源目标探测、机场跑道盲降等8GHz以上频段少量应用，难以进入民用领域。
为了减轻龙伯球的重量，研究人员进行了几十年的努力。最近在市场上见到应用于移动通信的龙伯球透镜多波束天线，但过于庞大。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种用于移动通信基站的无线电天线，将它用于基站天线时具有优于现有的电子多波束天线及球形龙伯透镜多波束天线的不同特色。
为了达到上述目的，本实用新型提供了一种人工介质圆柱透镜5波束天线，其中，所述的天线包含一个外形为圆柱体的超宽频人工介质透镜，以及安装在透镜上的5个相同的独立天线单元；每个所述的天线单元为带有金属地板的双极化偶极子或微带振子。微带天线一般是由导体薄片粘贴在背面附有金属薄层作为接地板的介质基片上而形成的天线，通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片与金属接地板之间激励高频电磁场，并通过贴片四周与金属接地板之间的缝隙向外辐射，金属导体贴片也可以是窄长条形的薄片振子即偶极子，称为微带振子天线。
上述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其中，所述的透镜，其圆柱体的直径为600±40mm，高度为400±10mm。该人工介质圆柱透镜具有多层同心圆结构，包含n个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，围绕中心圆柱层依次向外套叠排列第2至第n层，各同心层被装配成一个多层圆柱体，n个同心层由低介电常数的基材添加高介电常数、低比重的材料制成，n个同心层所含高介电常数、低比重的材料从第1层至第n层逐渐减少。n个同心层介电常数由第1层至第n层逐层降低，具体在2.05 - 1.05间渐变。低介电常数的基材为密度0.02 - 0.03 g/cm3的轻型发泡介质材料，优选为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯等；高介电常数、低比重的材料优选为陶瓷粉、铝银粉、金属丝等。
上述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其中，所述的天线，其波束数为5个，与天线单元数相等；波束增益为18dBi，天线的标称增益即为波束增益。
上述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其中，所述的天线单元，其每个的频率为1710-2690MHz，增益>8dBi，驻波比<1.4，隔离度>28dB，三阶互调<-150dBc，具备优良的电性能。
上述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其中，所述的天线单元，其排列在透镜的圆柱体外围的等高线上，天线单元上沿与透镜圆柱体上沿的距离为20±5mm。
上述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其中，所述的天线单元，其最大辐射方向均通过透镜圆柱体的轴线；调整天线单元表面与透镜圆柱面之间距离为40±20mm时可得到最大天线增益。
上述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其中，所述的天线，其中间频率波束交叉值设为-10dB，根据其决定天线单元沿人工介质透镜的圆柱体外圆排列的间隔和顺序。
上述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其中，所述的天线，其底部设有安装底座，每个天线单元分别连接两根同轴头馈线，5个天线单元共10个同轴头连接在所述的安装底座上。
上述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其中，所述的天线，其还设有安装架和天线支架，通过安装架将天线单元与透镜固定，再通过天线支架将天线与抱杆固定。安装架的截面优选为半矩形框状，其顶面和底面平行且与侧壁垂直，顶面设有一个矩形框和一个三角形框，矩形框的一条长边和三角形框的底边重合，三角形的顶点与透镜的圆柱体上表面的圆心固定。安装架顶面矩形框的另一条长边作为侧壁的顶边。安装架的底面与顶面相同。将透镜的圆柱体通过上表面和下表面固定在安装架的顶面和底面之间，天线单元固定在安装架的侧壁与透镜的圆柱体之间。安装架的固定天线单元的侧壁的背面设有向外的天线支架，将整个天线装置安装在需要安装天线处的抱杆上。透镜的圆柱体外设有相适配的扣置的圆筒形介质体外罩，介质体外罩的边缘到安装架侧壁的距离为780±40mm。天线单元外也设有扣置的天线单元外罩，天线单元外罩的外侧面是设有5个连续的相同矩形平面的折面，每个矩形平面之内分别对应的设置一个天线单元，天线单元外罩的内侧面是与透镜的圆柱体适配的覆盖120°的圆柱弧形面，内侧面的两端和外侧面的两端之间分别通过端面连接。天线单元外罩底部设有底盖，底盖上在各天线单元的同轴头馈线处分别设有圆孔，共5组10个圆孔，底盖两端之间的最大距离为770±10mm。
上述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其中，所述的天线，其形成5个波束；水平面波束为锐形波束，与传统电子5波束及龙伯球5波束相同；垂直面波束为赋形扇形宽波束，其波束宽度是传统电子5波束天线或龙伯球5波束天线的三倍。
本实用新型提供的人工介质圆柱透镜5波束天线具有以下优点：
本实用新型可以形成5个波束。水平（方位）面波束为锐形波束，这与传统电子5波束及龙伯球5波束相同。而本实用新型的垂直（俯仰）面波束为赋形扇形宽波束，其波束宽度是传统电子5波束及龙伯球5波束的三倍，这是本实用新型的核心技术指标。正是本实用新型的这一特性，在移动通信基站天线领域，本实用新型不仅无需电调机构，而且与相同增益的传统电调天线相比，在蜂窝服务小区内的大部分用户接收到的信号强度，比电调天线的信号强度平均高10dB左右。这将提高终端用户的信干比，增强抗干扰能力，从而提升系统的吞吐量、提高网速及系统容量、降低掉线率。特别适用于密集用户及大数据业务区。
附图说明
图1为本实用新型的人工介质圆柱透镜5波束天线的结构示意图。
图2为本实用新型的人工介质圆柱透镜5波束天线的安装架示意图。
图3为本实用新型的人工介质圆柱透镜5波束天线的天线单元外罩底盖示意图。
图4为本实用新型的人工介质圆柱透镜5波束天线的1920 MHz实测水平面方向图。
图5为本实用新型的人工介质圆柱透镜5波束天线的1920 MHz实测垂直面方向图。
图6为本实用新型的人工介质圆柱透镜5波束天线的2575 MHz实测水平面方向图。
图7为本实用新型的人工介质圆柱透镜5波束天线的2575 MHz实测垂直面方向图。
图8为本实用新型的人工介质圆柱透镜5波束天线与相同增益的电下倾电调天线的比较实测图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步地说明。
如图1所示，本实用新型提供的人工介质圆柱透镜5波束天线，包含一个外形为圆柱体的超宽频人工介质透镜1，以及安装在透镜1上的5个相同的独立天线单元2；每个天线单元2为带有金属地板的双极化偶极子或微带振子。 微带天线一般是由导体薄片粘贴在背面附有金属薄层作为接地板的介质基片上而形成的天线，通常利用微带传输线或同轴探针来馈电，使导体贴片与金属接地板之间激励高频电磁场，并通过贴片四周与金属接地板之间的缝隙向外辐射，金属导体贴片也可以是窄长条形的薄片振子即偶极子，称为微带振子天线。
透镜1的圆柱体的直径为600±40mm，高度为400±10mm。该人工介质圆柱透镜1具有多层同心圆结构，包含n个介电常数不同的同心层，中心圆柱层表示为第1层，围绕中心圆柱层依次向外套叠排列第2至第n层，各同心层被装配成一个多层圆柱体，n个同心层由低介电常数的基材添加高介电常数、低比重的材料制成，n个同心层所含高介电常数、低比重的材料从第1层至第n层逐渐减少。n个同心层介电常数由第1层至第n层逐层降低，具体在2.05- 1.05间渐变。低介电常数的基材为密度0.02 - 0.03 g/cm3的轻型发泡介质材料，优选为聚苯乙烯、聚氯乙烯或聚乙烯等；高介电常数、低比重的材料优选为陶瓷粉、铝银粉、金属丝等。
天线的波束数是与天线单元数相等的5个；波束增益为18dBi，天线的标称增益即为波束增益。
每个天线单元2的频率为1710-2690MHz，增益>8dBi，驻波比<1.4，隔离度>28dB，三阶互调<-150dBc，具备优良的电性能。
天线单元2排列在透镜1的圆柱体外围的等高线上，天线单元2上沿与透镜1圆柱体上沿的距离为20±5mm。天线单元2最大辐射方向均通过透镜1圆柱体的轴线；调整天线单元2表面与透镜1圆柱面之间距离为40±20mm时可得到最大天线增益。
该天线中间频率波束交叉值设为-10dB，根据其决定天线单元2沿人工介质透镜1的圆柱体外圆排列的间隔和顺序。
该天线底部设有安装底座，每个天线单元2分别连接两根同轴头馈线，5个天线单元2共10个同轴头6连接在安装底座上。
该天线还设有安装架5和天线支架4，通过安装架5将天线单元2与透镜1固定，再通过天线支架4将天线与抱杆3固定。
安装架5的截面优选为半矩形框状，其顶面和底面平行且与侧壁垂直，顶面设有一个矩形框和一个三角形框，矩形框的一条长边和三角形框的底边重合，三角形的顶点与透镜1的圆柱体上表面的圆心固定。安装架5顶面矩形框的另一条长边作为侧壁的顶边。安装架5的底面与顶面相同。将透镜1的圆柱体通过上表面和下表面固定在安装架5的顶面和底面之间，天线单元2固定在安装架5的侧壁与透镜1的圆柱体之间。安装架5的固定天线单元2的侧壁的背面设有向外的天线支架4，将整个天线装置安装在需要安装天线处的抱杆3上。透镜1的圆柱体外设有相适配的扣置的圆筒形介质体外罩7，介质体外罩7的边缘到安装架5侧壁的距离为780±40mm。天线单元2外也设有扣置的天线单元外罩8，天线单元外罩8的外侧面是设有5个连续的相同矩形平面的折面，每个矩形平面之内分别对应的设置一个天线单元2，天线单元外罩8的内侧面是与透镜1的圆柱体适配的覆盖120°的圆柱弧形面，天线单元外罩8内侧面的两端和外侧面的两端之间分别通过端面连接。天线单元外罩8底部设有底盖9，底盖9上在各天线单元2的同轴头馈线处分别设有圆孔，共5组10个圆孔，底盖9两端之间的最大距离为770±10mm。参见图2和图3所示。
该天线形成5个波束；水平面波束为锐形波束，与传统电子5波束及龙伯球5波束相同；垂直面波束为赋形扇形宽波束，其波束宽度是传统电子5波束天线或龙伯球5波束天线的三倍。
下面结合实施例对本实用新型提供的人工介质圆柱透镜5波束天线做更进一步描述。
实施例1
一种人工介质圆柱透镜5波束天线，首先根据天线要求的频率范围选择带反射板的一元高频段双极化振子单元5个作为天线单元2。每个单元+/-极化振子分别连接两根同轴头馈线；根据天线要求高频段双极化振子单元频率为1710-2690MHz；根据天线要求全部高频振子单元驻波比小于1.4；根据天线要求全部高频振子单元，各自增益为大于8.0dBi；根据天线要求各单元振子之间隔离度大于28dB；根据天线要求全部单元振子三阶交调小于-150dBc。
根据本实用新型设计的天线指标设定中间频率波束交叉值为-10dB，由此决定高频段天线单元2沿人工介质圆柱透镜1外圆排列间隔及顺序。
选择人工介质圆柱体作为透镜1。所选人工介质圆柱体透镜1的直径为600mm、高度为400mm。
在所选人工介质圆柱体透镜1的1/2高度处标记一周圆弧线作为基准线。
将5个独立天线单元2沿透镜1圆柱体外等高环线，依次排列，每个单元之间的间隙为70mm；各天线单元2辐射最大方向通过介质圆柱体中轴线。调节各天线单元2辐射体平面距离圆柱体外表面5-15mm，各天线单元2上沿距透镜圆柱体上沿15mm。将5个天线单元2，共计10个同轴头6连接在安装底座上。
将天线单元2与透镜1圆柱体用安装架5和天线支架4固定成一体，构成人工介质圆柱透镜5波束天线，安装在需要安装天线处的抱杆3上。
本实施例的人工介质圆柱透镜5波束天线，实测水平平面及垂直平面方向如图4~7所示。其与相同增益的电下倾电调天线的比较实测如图8所示，A是本实施例的天线实测V面方向图，B是普通常规电调天线V面方向实测图2、7、12度下倾角，可见本天线瓣宽比电调天线的宽约3倍，因而在大部分服务区场强平均高10dB左右，信/干比更高。
本实用新型提供的人工介质圆柱透镜5波束天线，是一种覆盖120°扇区的5波束天线，增益18dBi，垂直波瓣宽度为相同增益基站天线的三倍。由于人工介质圆柱透镜自身独有的特性，将它用于基站天线时具有现有基站天线的许多不同特色。在应用于移动蜂窝电话基站时，无需设置传统基站天线必带的下倾角电调机构，同时在所服务小区的信干比更高。
尽管本实用新型的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本实用新型的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本实用新型的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本实用新型的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种人工介质圆柱透镜5波束天线，其特征在于，所述的天线包含一个外形为圆柱体的人工介质透镜，以及安装在透镜上的5个相同的独立天线单元；每个所述的天线单元为带有金属地板的双极化偶极子或微带振子。
2.如权利要求1所述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其特征在于，所述的透镜，其圆柱体的直径为600±40mm，高度为400±10mm。
3.如权利要求1所述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其特征在于，所述的天线，其波束数为5个，与天线单元数相等；波束增益为18dBi，天线的标称增益为波束增益。
4.如权利要求3所述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其特征在于，所述的天线单元，其每个的频率为1710-2690MHz，增益>8dBi，驻波比<1.4，隔离度>28dB，三阶互调<-150dBc。
5.如权利要求4所述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其特征在于，所述的天线单元，其排列在透镜的圆柱体外围的等高线上，天线单元上沿与透镜圆柱体上沿的距离为20±5mm。
6.如权利要求5所述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其特征在于，所述的天线单元，其最大辐射方向均通过透镜圆柱体的轴线；天线单元表面与透镜圆柱面之间距离为40±20mm时得到最大天线增益。
7.如权利要求6所述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其特征在于，所述的天线，其中间频率波束交叉值为-10dB，根据其决定天线单元沿人工介质透镜的圆柱体外圆排列的间隔和顺序。
8.如权利要求7所述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其特征在于，所述的天线，其底部设有安装底座，每个天线单元分别连接两根同轴头馈线，5个天线单元共10个同轴头连接在所述的安装底座上。
9.如权利要求8所述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其特征在于，所述的天线，其还设有安装架和天线支架，通过安装架将天线单元与透镜固定，再通过天线支架将天线与抱杆固定。
10.如权利要求1~9中任意一项所述的人工介质圆柱透镜5波束天线，其特征在于，所述的天线，其形成5个波束；水平面波束为锐形波束；垂直面波束为赋形扇形宽波束，其波束宽度是电子5波束天线或龙伯球5波束天线的三倍。
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| CN109546333A (zh) * | 2018-12-29 | 2019-03-29 | 广州司南天线设计研究所有限公司 | 一种介质透镜多波束天线装置 |
| CN111585042A (zh) * | 2020-05-25 | 2020-08-25 | 北京高信达通信科技股份有限公司 | 一种多波束介质透镜天线及制造方法 |
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